Nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu zno cấu trúc nano ứng dụng phát hiện vi khuẩn salmonella

Lịch sử cảm biến sinh học bắt đầu từ thập niên 60 của thế kỷ 20 với công trình tiên phong của Clark và Lyons [6], đưa ra mô hình cảm biến sinh học dưới dạng màng được cố định enzyme giúp

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trang 3

NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC I ITIMS 2017-2019

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Đặng Thị Thanh Lê - Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), người hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này cũng như tạo mọi điều kiện tốt nhất về trang thiết bị, cơ sở vật chất trong suốt quá trình tôi thực hiện đề tài nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn GS TS Nguyễn Văn Hiếu - Trường Đại học Phenikaa, PGS TS Nguyễn Đức Hòa, PGS TS Nguyễn Văn Duy, TS Chử Mạnh Hưng - Viện ITIMS - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, TS Trần Quang Huy - Viện Vệ sinh Dịch

tễ Trung ương đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này Các thầy đã gợi mở những ý tưởng khoa học, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu Các thầy không chỉ cung cấp cho tôi những kiến thức, phương pháp vô cùng quý báu mà còn truyền cho tôi niềm say mê trong học tập, đức tính bền bỉ, nghiêm túc trong nghiên cứu khoa học

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh, chị nghiên cứu sinh và các bạn, em học viên cao học tại phòng thí nghiệm Nghiên cứu ứng dụng và phát triển cảm biến nano - Viện ITIMS đã cùng hướng dẫn, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến những thành viên trong gia đình tôi, những người đã luôn hỗ trợ tôi trong quá trình phấn đấu học tập và nghiên cứu

Hà Nội, tháng 05 năm 2019

Trang 4

NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC II ITIMS 2017-2019

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Đặng Thị Thanh Lê Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được tác giả khác công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hồng Phước

Trang 5

NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC 1 ITIMS 2017-2019

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 12

1.1 Cảm biến sinh học 12

1.1.1 Khái niệm cảm biến sinh học 12

1.1.2 Phân loại cảm biến sinh học 12

1.2 Tổng quan về vật liệu ZnO 22

1.3 Cảm biến miễn dịch điện hóa trên cơ sở vật liệu cấu trúc nano ZnO 23

1.4 Vi khuẩn salmonella 27

1.5 Các phương pháp phân tích điện hóa 28

1.5.1 Phương pháp quét thế vòng (CV) 28

1.5.2 Phổ tổng trở điện hóa (EIS) 30

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 35

2.1 Chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa 35

2.1.1 Hóa chất và thiết bị 35

2.1.2 Quy trình chế tạo điện cực Pt/Cr/SiO 2 /Si 36

2.1.3 Quy trình mọc thanh nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt 37

2.2 Chức năng hóa bề mặt điện cực và cố định kháng thể trên bề mặt 38

2.3 Khảo sát tính chất của cảm biến 40

2.3.1 Khảo sát hình thái và cấu trúc của cấu trúc nano ZnO 40

2.3.2 Khảo sát tính chất điện hóa trên các đế khác nhau 41

Trang 6

2.3.3 Khảo sát tính chất nhạy sinh học 42

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Tính chất vật liệu 43

3.2 Tính chất điện hóa của các điện cực 46

3.2.1 Điện cực Pt 46

3.2.2 Điện cực Pt được phủ vật liệu nano ZnO 49

3.3 Tính nhạy sinh học 54

3.3.1 Tính nhạy sinh học của ba loại cảm biến 54

3.3.2 Độ ổn định của cảm biến thanh nano ZnO đường kính bé 56

3.3.3 Phát hiện vi khuẩn Salmonella 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN CỦA LUẬN VĂN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Trang 7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT Viết tắt Tiếng anh Nghĩa

1 ZnO NRs Zinc oxide nanorods Thanh nano ZnO

3 PCR Polymerase chain reaction Phản ứng khuếch đại gen

4 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

5 FESEM Field Emission Scanning Electron

9 EIS Electrochemical impedance

spectroscopy Phổ tổng trở điện hóa

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo chung của cảm biến sinh học 12

Hình 1.2 Xu hướng về số lượng bài báo được xuất bản hàng năm liên quan

đến cảm biến sinh học dựa trên các phần tử nhận biết sinh học (2010 - 2018) 13

Hình 1.3 Thiết kế chung và nguyên lý làm việc của cảm biến sinh học DNA 14

Hình 1.4 Sơ đồ đơn giản hóa minh họa tương tác aptamer - mục tiêu 15

Hình 1.5 Các cấu hình liên kết của xét nghiệm miễn dịch: (A) hình thành cấu

trúc bánh sandwich, (B) xét nghiệm miễn dịch kiểu cạnh tranh, (C) hình thành

cấu trúc bánh sandwich mở rộng, và (D) hình thành cấu trúc bánh sandwich

trên bề mặt (hạt nano - vi mô)

17

Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hình chữ Y của một kháng thể 18

Hình 1.7 Kháng thể đơn dòng và đa dòng khi tương tác với kháng nguyên 18

Hình 1.8 Tương tác giữa một kháng thể và một kháng nguyên 19

Hình 1.9 Cấu trúc lục giác kiểu wurtzite của ZnO 22

Hình 1.10 Ảnh FESEM của thanh nano ZnO được chế tạo bằng phương pháp

thủy nhiệt do James Jungho Pak và cộng sự chế tạo 24

Hình 1.11 Ảnh SEM của sợi nano ZnO được chế tạo bằng phương pháp phun

tĩnh điện với các điều kiện khác nhau do Ashutosh Sharma và cộng sự đã chế

tạo

25

Hình 1.12 Ảnh SEM của hoa nanno ZnO (A) và cấu trúc Au-hoa nano ZnO

Hình 1.14 Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong thế quét vòng 29

Hình 1.15 Sơ đồ khối mô phỏng nguyên lý đo tổng trở 30

Hình 1.16 Biểu diễn hình học các phần tử phức 31

Hình 1.17 (a) Quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực làm việc được

tích điện dương khi tiếp xúc với dung dịch diện ly chứa cặp chất dò; (b) Mạch 32

Trang 9

điện tương đương Randles

Hình 1.18 Mô hình mạch tương đương Randles cho trở kháng phức của hệ

Hình 1.19 Sơ đồ trở kháng Faradaic được trình bày dưới dạng một đồ thị

Hình 2.1 Hệ đo điện hóa Palmsen 3 và thiết bị tích hợp phần mềm đo điện

Hình 2.3 Quá trình chế tạo điện cực Pt/Cr/SiO2/Si 36

Hình 2.5 Cố định kháng thể trên thanh nao ZnO với liên kết chéo GMBS: a)

silan hóa bề mặt của thanh nano ZnO, b) liên kết chéo GMBS với thanh nano

đã silan hóa, c) liên kết kháng thể với một nhóm chức của chất liên kết chéo

39

Hình 2.6 Quá trình chức năng hóa bề mặt cảm biến 40

Hình 2.8 Giao diện phần mềm đo CV (a) và EIS (b) 42

Hình 3.1 Ảnh SEM của các mẫu vật liệu ZnO tổng hợp ở điều kiện khác nhau

(a, b): màng ZnO được phún xạ; (c, d): thanh nano ZnO được tổng hợp với

nồng độ dung dịch 0.1M; (e, f): thanh nano ZnO được tổng hợp với nồng độ

dung dịch 0.01M

43

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu thanh nano ZnO đường kính bé 45

Hình 3.3 Ảnh HRTEM của thanh nano ZnO đường kính bé ở a) độ phóng đại

Hình 3.5 Đường CV của điện cực Pt trần với các thế quét khác nhau 47

Hình 3.6 Đường CV (a) và đồ thị Nyquist (b) của hai điện trong dung dịch

điện ly [Fe(CN)6]3/4 5 mM Hình chèn: đồ thị Nyquist của điện cực Pt trần 48

Hình 3.7 Đường cong Nyquist của điện cực Pt trần và điện cực Pt đã có gắn

kháng thể trong dung dịch điện ly [Fe(CN)6]3/4- nồng độ 5mM 49

Hình 3.8 .Ảnh điện cực Pt sau khi biến tính thanh nano ZnO 50

Trang 10

Hình 3.9 Đường CV của các điện cực trong chất điện ly [Fe(CN)6]3/4 5 mM

Hình 3.10 Đồ thị CV sau 10 lần quét của các điện cực khác nhau 51

Hình 3.11 a) Đường cong CV; b) đồ thị Nyquist của ba điện cực khác nhau

được đo trong dung dịch chất [Fe(CN)6]3/4 5 mM ở tốc độ quét 100 mV/s 52

Hình 3.12 Hình ảnh đường fit của đường cong Nyquist điện cực Pt a) phún

xạ màng ZnO; b) mọc thanh nano ZnO với đường kính bé; c) mọc thanh nao

ZnO với đường kính lớn

53

Hình 3.13 Đường CV của ba điện cực sau khi cố định kháng thể a) điện cực

với thanh nano ZnO đường kính bé; b) điện cực với thanh nano ZnO đường

kính lớn; c) điện cực với màng ZnO

55

Hình 3.14 Đường CV của điện cực thanh nano ZnO đường kính bé sau khi cố

Hình 3.15 Đường CV của điện cực Pt biến tính thanh nano ZnO đường kính

nhỏ đáp ứng với vi khuẩn Salmonella 103 và 105 cfu/μL trong dung dịch

[Fe(CN)6]3−/4− 5 mM với tốc độ quét 100 mV/s Hình chèn: Đường CV của

điện cực Pt biến tính thanh nano ZnO đường kính nhỏ sau khi ủ với vi khuẩn

Salmonella nồng độ 103 và 105 cfu/μL

57

Hình 3.16 Biểu đồ Nyquist của điện cực Pt biến tính thanh nano ZnO khi tiếp

xúc với Salmonella ở 103 và 105 cfu/mL trong dung dịch [Fe(CN)6]3−/4− 5 mM

với tốc độ quét 100 mV/s Hình chèn: Biểu đồ Nyquist của điện cực Pt trần

58

Hình 3.17 Nguyên lý hoạt động của cảm biến miễn dịch phổ tổng trở điện

Trang 11

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.2 Một số công trình tiêu biểu trong những năm gần đây về cảm biến

miễn dịch điện hóa trên cơ sở vật liệu ZnO cấu trúc nano 26

Bảng 2.1 Hóa chất dùng cho chế tạo cảm biến 35

Bảng 3.1 Giá trị thực tế đo được của điện trở 54

Trang 12

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế, gia tăng dân số, nhu cầu sử dụng thực phẩm ngày càng cao thì vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm trở nên báo động hơn bao giờ hết Theo thống kê, mỗi năm Việt Nam có chừng 250 - 500 vụ ngộ độc thực phẩm với 7.000 đến 10.000 nạn nhân và 100 - 200 ca tử vong (http://www.vfa.gov.vn/) Nguyên

nhân chính là do thực phẩm bị nhiễm vi sinh vật - chủ yếu do các chủng Salmonella,

E.coli, Clostridium perfringens, vi khuẩn Listeria Việc phát hiện nhanh các vi sinh vật

gây bệnh là mấu chốt để có những biện pháp điều trị thích hợp, ngăn chặn kịp thời sự lây lan của dịch bệnh Một số phương pháp phát hiện truyền thống như phân lập, nuôi cấy, huyết thanh lọc hoặc quan sát qua kính hiển vi… Tuy nhiên, các phương pháp này thường đòi hỏi phải có phòng thí nghiệm chuyên biệt và thời gian cho kết quả lâu Các phương pháp phát hiện như sinh học phân tử (PCR) có độ nhạy cao, đòi hỏi hóa chất, sinh phẩm đắt tiền, người thực hiện thí nghiệm cần được đào tạo bài bản Chính bởi vậy, các nghiên cứu gần đây trên thế giới có xu hướng nghiên cứu chế tạo ra các cảm biến sinh học có khả năng chuẩn đoán nhanh, chính xác tác nhân gây bệnh đáp ứng nhu cầu thời đại

Lịch sử cảm biến sinh học bắt đầu từ thập niên 60 của thế kỷ 20 với công trình tiên phong của Clark và Lyons [6], đưa ra mô hình cảm biến sinh học dưới dạng màng được cố định enzyme giúp chuyển hóa các chất như urê và glucose thành các sản phẩm

có thể phát hiện được thông qua độ pH hay lượng ôxy phản ứng Từ đó đến nay, lĩnh vực cảm biến sinh học đã và đang tiếp tục thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học liên ngành như hóa học, vật lý, sinh học, khoa học vật liệu … trên toàn thế giới Ứng dụng nổi bật nhất của cảm biến sinh học là trong chuẩn đoán y sinh học, kiểm soát môi trường, an toàn thực phẩm, an ninh, quốc phòng

Một cảm biến thông thường cho tín hiệu rất thấp Điều này thúc đẩy các nhà

Trang 13

nghiên cứu sử dụng các cấu trúc nano bán dẫn vô cơ làm nền cố định tiềm năng cho phát triển cảm biến sinh học phát hiện chất phân tích mong muốn Một số lượng lớn vật liệu ôxít cấu trúc nano như ôxít cerium (CeO2) [2, 3], ôxít sắt (Fe3O4) [23, 24], ôxít mangan (MnO2) [64], ôxít niobium (Nb2O5) [39] , ôxít nickel (NiO) [42], ôxít đồng (CuO) [19, 67], ôxít thiếc (SnO2) [63], ôxít kẽm (ZnO) [5, 31, 33, 40, 46, 59, 64], ôxít titanium (TiO2) [60]… đã được ứng dụng trong cảm biến sinh học kiểu điện hóa Trong số các vật liệu đó, ZnO có nhiều tính chất hấp dẫn để chế tạo cảm biến sinh học như là tính tương thích sinh học tốt, độ ổn định hóa học, không độc tố, hoạt tính điện hóa và tốc độ chuyển điện tử nhanh ZnO là vật liệu có tính tương thích sinh học với điểm đẳng điện (isoelectric point-IEP) cao 9,5 phù hợp để hấp phụ các protein có điểm đẳng điện thấp

do việc cố định protein được quyết định bởi tương tác tĩnh điện Vì thế đây là vật liệu đầy hứa hẹn cho ứng dụng cảm biến sinh học

Trong nghiên cứu về cảm biến sinh học cũng như thiết thế các vi cảm biến tích hợp trên nền tảng vi cơ điện tử tại Việt Nam đã và đang có sự gia tăng nhanh chóng về số lượng các công trình công bố Tại Việt Nam, có một số nhóm nghiên cứu về cảm biến sinh học như nhóm của PGS Mai Anh Tuấn

Huy (NIHE) [16, 17, 18, 36, 53, 54], GS.TS Trần Đại Lâm (VAST) [15, 25, 34, 49, 52] Các nhóm trên chủ yếu nghiên cứu tập trung vào hạt nano bạc, vàng, polymer và ống nano cacbon cho ứng dụng nhạy sinh học

Để chế tạo một cảm biến sinh học hiệu quả, việc chế tạo vật liệu nano ZnO có hình thái phù hợp trực tiếp trên điện cực để cố định các phân tử sinh học mong muốn là rất quan trọng Vật liệu ZnO cấu trúc nano đã được nghiên cứu tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau và đã được nhóm chúng tôi phát triển thành công cho ứng dụng nhạy khí (www.isensors.vn) Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong công nghệ chế tạo vật liệu ZnO có cấu trúc nano trực tiếp lên điện cực với các điều kiện khác nhau nhằm tạo ra cảm biến sinh học có cấu trúc tối ưu, chế tạo đơn giản, tiết kiệm

Trang 14

Trên cơ sở phân tích đó, nội dung nghiên cứu của đề tài được xác định là “Nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu ZnO cấu trúc nano ứng dụng phát

hiện vi khuẩn Salmonella”

- Mục đích và đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu ZnO có cấu trúc nano bằng phương pháp thủy nhiệt Điều khiển được một số hình thái học, kích thước của vật liệu bằng các khác nhau như nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ tiền chất.v.v Chế tạo on-chip được cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu ZnO cấu trúc nano bằng phương pháp thủy nhiệt Khảo sát được tính

chất nhạy sinh học của cảm biến đối với vi khuẩn Salmonella

- Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp lựa chọn nghiên cứu trong đề tài này là các phương pháp thực nghiệm kết hợp với nghiên cứu dựa trên hệ thống các công trình đã được công bố, trong

đó có kế thừa các thành quả nghiên cứu của nhóm chúng tôi cũng như trên thế giới Phương pháp chúng tôi lựa chọn là phương pháp phún xạ và thủy nhiệt Các tính chất cơ bản của vật liệu như hình thái, cấu trúc, tính chất điện được nghiên cứu bằng các phương pháp truyền thống như SEM, TEM, XRD Các phương pháp hóa học được sử dụng để tạo các nhóm chức và cố định các phần tử dò trên bề mặt vật liệu nano Tính nhạy sinh học của vật liệu nhận được chủ yếu được nghiên cứu bằng kỹ thuật đo điện hóa: phương pháp quét thế vòng (CV), phương pháp đo phổ tổng trở (EIS)

- Đóng góp mới

Bằng phương pháp thủy nhiệt chúng tôi đã chế tạo thành công cảm biến miễn dịch điện hóa trên cơ sở vật liệu ZnO cấu trúc nano (dạng thanh và màng); các cấu trúc này

mọc trực tiếp trên điện cực Pt Đã cố định được kháng thể Salmonella trên bề mặt vật

liệu ZnO cấu trúc nano, từ đó khảo sát được tính chất nhạy sinh học với vi khuẩn

Salmonella ở nồng độ 103 và 105 cfu/mL Các kết quả nghiên cứu mà luận văn đã đạt được là cơ sở ban đầu để các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm và lựa chọn

Trang 15

cấu trúc vật liệu nano ZnO thích hợp để tiếp tục khảo sát sâu hơn về cảm biến miễn dịch điện hóa cũng như các loại cảm biến sinh học điện hóa khác

- Nội dung luận văn

Luận văn này gồm 3 chương:

Chương 1: Các khái niệm cơ bản về cảm biến sinh học, các tính chất vật liệu ZnO, thông tin về vi khuẩn cần phát hiện

Chương 2: Các bước chế tạo cảm biến sinh học được miêu tả chi tiết

Chương 3: Các kết quả thực nghiệm được đưa ra thảo luận

Trang 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Cảm biến sinh học

1.1.1 Khái niệm cảm biến sinh học

Hiệp hội quốc tế về hoá học ứng dụng - IUPAC năm 1999 đã định nghĩa: cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp độc lập có khả năng cung cấp các thông tin được phân tích một cách định lượng và bán định lượng nhờ một phần tử sinh học Cảm biến sinh học có ba bộ phận chính: (1) đầu thu sinh học, (2) bộ phận chuyển đổi và (3) bộ phận xử lý và đọc tín hiệu [27] (Hình 1.1)

Hình 1.1 Cấu tạo chung của cảm biến sinh học

1.1.2 Phân loại cảm biến sinh học

Tùy theo phần tử nhận biết sinh học và bộ chuyển đổi mà ta có thể phân loại cảm biến sinh học thành các loại khác nhau như cảm biến enzyme, cảm biến miễn dịch (immunosensors), cảm biến DNA (deoxyribonucleic acid), cảm biến sinh học điện hóa, cảm biến sinh học quang [22] Trong chẩn đoán bệnh, người ta dựa vào yếu tố nhận biết sinh học để phân loại cảm biến Hình 1.2 cho thấy xu hướng số lượng bài báo khoa học

Trang 17

hàng năm được Scopus đưa ra từ năm 2010 đến năm 2018 trong lĩnh vực cảm biến sinh học dựa trên các phần tử nhận biết [14] Số lượng bài báo của các cảm biến sinh học này

có xu hướng tăng từ năm 2013 đến năm 2017, nhưng đến năm 2018 thì có xu hướng giảm mạnh Trong đó số lượng bài báo về cảm biến enzyme chiếm nhiều nhất và số lượng bài báo được công bố liên quan đến cảm biến sinh học dựa trên kháng thể xếp vị trí thứ hai

Hình 1.2 Xu hướng về số lượng bài báo được xuất bản hàng năm liên quan đến cảm

biến sinh học dựa trên các phần tử nhận biết sinh học [14]

1.1.2.1 Cảm biến enzyme

Bộ cảm biến sinh học enzyme là một công cụ phân tích hiệu quả, trong đó enzyme

là phần tử sinh học được sử dụng để liên kết giữa chất phân tích và bộ chuyển đổi nhằm chuyển đổi cơ chất xác định thành tín hiệu có thể đo được Nguyên lý của cảm biến sinh học dựa trên enzyme là phát hiện sự có mặt của một số chất phân tích bằng cách đo đạc

Trang 18

sự thay đổi như: nồng độ proton (H+), giải phóng hoặc hấp phụ khí (ví dụ, CO2, NH3,

O2, ), phát xạ ánh sáng, hấp thụ hoặc phản xạ, phát xạ nhiệt, xảy ra trong quá trình tiêu thụ cơ chất hoặc hình thành sản phẩm của một phản ứng enzyme [14] Enzyme có tính chọn lọc và độ nhạy cao với phản ứng hóa học, chúng hoạt động khá nhanh so với các thụ thể sinh học khác và chúng có thể được sử dụng kết hợp với các cơ chế truyền tải khác nhau, đã làm cho cảm biến sinh học dựa trên enzyme trở thành một trong những lĩnh vực được nghiên cứu rộng rãi nhất Ngoại trừ số lượng nhỏ các phân tử a-xít ribonucleic (RNA) làm xúc tác, tất cả các enzyme đều là protein

Hình 1.3 Thiết kế chung và nguyên lý làm việc của cảm biến sinh học DNA [4]

Phân tử DNA trong cơ thể sống thường tồn tại dưới dạng xoắn kép, dưới tác động

Trang 19

của nhân tố gây biến tính như: nhiệt độ, pH, hóa chất ở một mức độ nhất định nào đó sẽ làm cho hai mạch này phân tách nhau ra Đầu thu chuỗi a-xít nucleic được sử dụng phổ biến trong các cảm biến sinh học do giá thành rẻ, độ nhạy và tính chọn lọc cao do ái lực liên kết rất mạnh Các đầu thu này cho phép phát hiện các đối tượng liên quan đến gen,

sự đột biến trong cấu trúc của DNA, phát hiện các DNA của tế bào ung thư và xác định các độc tố

Hình 1.4 Sơ đồ đơn giản hóa minh họa tương tác aptamer-mục tiêu [22]

Aptamers đã được phát triển cho các ứng dụng khác nhau Việc sử dụng chúng như các yếu tố nhận biết sinh học trong cảm biến sinh học hứa hẹn sự tiến bộ trong phát hiện protein nhanh chóng và dễ dàng Aptamers có thể cạnh tranh với kháng thể trong một số ứng dụng Aptamer có kích thước rất nhỏ (30 - 100 nucleotide) so với các phân

Trang 20

tử nhận thức sinh học khác như kháng thể hoặc enzyme Điều này cho phép cố định hiệu quả các aptamer ở mật độ cao Do đó, việc sản xuất, thu nhỏ, tích hợp và tự động hóa các cảm biến sinh học có thể được thực hiện với các aptamer dễ dàng hơn là với các kháng thể Sau khi được chọn, aptamers có thể được tổng hợp với độ tái lập và độ tinh khiết cao Aptamers có thể được phân loại là:

- Aptamer DNA hoặc RNA

- Aptamer peptit

Tương tác giữa aptamer và chất mục tiêu được minh họa trong hình 1.4

Các aptamer DNA có tính ổn định hóa học cao cho phép tái sử dụng các cảm biến sinh học Ngược lại, các aptamer RNA thì nhạy cảm với sự thoái hóa do các rebonuclease nội sinh thường được tìm thấy trong các dung dịch tế bào và huyết thanh Do đó, cảm biến sinh học sử dụng các aptamer RNA làm chất nhận biết sinh học chỉ có thể được sử dụng cho các phép đo một lần trong môi trường sinh học Các aptamer DNA và RNA có thể được biến tính hóa học để trải qua những thay đổi về hình dạng phụ thuộc vào chất phân tích

1.1.2.4 Cảm biến miễn dịch

Cảm biến miễn dịch là chủ đề ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, như một công cụ hữu ích trong chẩn đoán lâm sàng, giám sát môi trường và ứng dụng an toàn thực phẩm do tính đặc hiệu cực cao của chúng Nguyên lý làm việc dựa trên việc phát hiện, xử lý và hiển thị tín hiệu gây ra bởi sự hình thành phức hợp kháng nguyên - kháng thể (Ag - Ab) Tương tác giữa kháng thể với kháng nguyên theo nguyên tắc ổ khóa và chìa khóa có tính đặc hiệu cao Cảm biến miễn dịch là một thiết bị phân tích không cần xử lý mẫu trước và có khả năng phân tích mẫu có chứa nhiều tạp chất như: máu, huyết thanh, nước tiểu chứa các cơ chất như protein, a-xít amin, đường, hooc môn… Đặc biệt, cảm biến miễn dịch có ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với phương pháp khác về thời gian và độ nhạy [55] Hình 1.5 mô tả một số cấu hình liên kết của các xét nghiệm miễn dịch

Trang 21

Hình 1.5 Các cấu hình liên kết của xét nghiệm miễn dịch: (A) hình thành cấu trúc bánh

sandwich, (B) xét nghiệm miễn dịch kiểu cạnh tranh, (C) hình thành cấu trúc bánh sandwich mở rộng, và (D) hình thành cấu trúc bánh sandwich trên bề mặt (hạt nano-vi mô) [4]

Cảm biến miễn dịch có hai cách phát hiện là: cảm biến phát hiện trực tiếp và cảm biến phát hiện thông qua chất đánh dấu trung gian Cảm biến phát hiện gián tiếp có ưu điểm là làm tăng độ nhạy, nhưng lại làm giảm tính chọn lọc do sử dụng chất đánh dấu trung gian, hơn nữa kỹ thuật này tốn nhiều hóa chất và thời gian do cần thời gian ủ kháng thể với chất đánh dấu Do đó cảm biến miễn dịch phát hiện trực tiếp không cần chất đánh dấu thường được quan tâm hơn, loại cảm biến này cho phép đo mẫu với kết quả tức thời

mà không cần thêm bất kỳ chất nào khác [59]

Kháng thể hoặc immunoglobin là các protein huyết tương hình cầu, nặng 150 kDa Chúng còn được gọi là glycoprotein và bao gồm hai chuỗi nặng và hai chuỗi nhẹ tạo thành hình dạng chữ Y (Hình 1.6)

Trang 22

Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hình chữ Y của một kháng thể [12][51]

Kháng nguyên được tạo ra ở động vật bởi phản ứng miễn dịch với các tác nhân bên ngoài Kháng thể liên kết với kháng nguyên mục tiêu có ái lực cao và vì vậy có thể phát hiện chất cần phân tích trong sự có mặt của các chất khác Các kháng thể được sử dụng trong sự phát triển của cảm biến miễn dịch có hai loại: đa dòng và đơn dòng [22] (Hình 1.7)

Hình 1.7 Kháng thể đơn dòng và đa dòng khi tương tác với kháng nguyên [22]

Trang 23

 Kháng thể đơn dòng (monoclonal antibody): chỉ nhận biết một epitope trên một kháng nguyên cho sẵn Tất cả các kháng thể đơn dòng cùng một dòng thì giống hệt nhau và được sản xuất bởi cùng một tương bào [51]

 Kháng thể đa dòng (polyclonal antibody): tập hợp các kháng thể đặc hiệu với các epitope khác nhau trên một kháng nguyên cho trước Trong đáp ứng miễn dịch, cơ thể tổng hợp nhiều kháng thể tương ứng với các epitope của cùng một kháng nguyên, đáp ứng này được gọi là đa dòng [51]

Do tính đặc hiệu mà kháng thể đơn dòng được sử dụng như là một kháng thể chính trong các xét nghiệm miễn dịch hoặc để phát hiện các kháng nguyên cụ thể bên trong các chất khác

Hình 1.8 Tương tác giữa một kháng thể và một kháng nguyên [12][51]

Tương tác giữa một kháng thể và một kháng nguyên phụ thuộc vào bốn kiểu lực không có bản chất cộng hóa trị (Hình 1.8): (1) liên kết hyđrô, trong đó một nguyên tử

Trang 24

hydro chia sẻ với hai nguyên tử tích điện âm; (2) liên kết ion giữa các thành phần tích điện trái dấu; (3) các tương tác kị nước; và (4) các tương tác Van der Waals giữa các đám mây điện tử phía ngoài của hai hoặc nhiều nguyên tử Trong môi trường nước, các tương tác không có bản chất cộng hóa trị đặc biệt yếu và phụ thuộc vào hình dạng kháng thể và kháng nguyên [12]

Để chuyển các tương tác sinh học giữa phân tử đích với đầu thu sinh học thành dạng tín hiệu đo đạc được Cảm biến miễn dịch được phân loại thành 5 loại

a) Cảm biến miễn dịch điện hóa

Kỹ thuật điện hóa là công cụ hiệu quả và đa chức năng, đưa ra độ chính xác cao

và độ nhạy tốt với chi phí tương đối thấp và thiết bị đo đạc đơn giản Ngoài ra, yêu cầu

về khối lượng mẫu nhỏ và tính linh động là lợi thế của các kỹ thuật này [10]

Các phương pháp phát hiện điện hóa dựa trên các cơ chế truyền tín hiệu khác nhau

có thể được chia thành ba loại: ampe kế, trở kháng và chiết áp Cảm biến loại này có ưu điểm như thời gian đáp ứng nhanh, độ nhạy và độ chọn lọc cao, dễ chế tạo, giá rẻ, dễ sử dụng và dễ tích hợp với hệ đo cầm tay phát triển thành các sản phẩm thương mại Tùy thuộc vào tín hiệu đầu ra của bộ chuyển đổi mà các cảm biến miễn dịch được chia thành các loại như cảm biến miễn dịch điện hóa đo dòng (amperometric immunosensors), cảm biến miễn dịch điện hóa đo điện thế (potentiometric immunosensors), cảm biến miễn dịch điện hóa đo độ dẫn (conductimetric immunosensors), cảm biến miễn dịch đo trở kháng (impedimetric immunosensors) Trong cảm biến sinh học hiện nay thì phương pháp đo điện thế (đo sự thay đổi pH môi trường) và phương pháp đo dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất

b) Cảm biến miễn dịch quang

Cảm biến miễn dịch quang hoạt động theo nguyên tắc đó là cách thức và mức độ phản ứng của cảm biến với ánh sáng được biến đổi khi gắn với một kháng nguyên cụ thể Cảm biến miễn dịch quang học gồm hai loại: trực tiếp và gián tiếp Kỹ thuật cảm biến trực tiếp (ví dụ: cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR)) chỉ nhờ vào liên kết giữa kháng

Trang 25

thể và kháng nguyên để điều biến (modulation) tín hiệu, trong khi các cảm biến gián tiếp phụ thuộc vào việc sử dụng chất đánh dấu sinh học (ví dụ như fluorophore) để mường tượng sự liên kết miễn dịch [37] Một cảm biến quang sử dụng ánh sáng như là chất kích thích và có thể phát hiện sự thay đổi cường độ ánh sáng khi nó đi qua hoặc khúc xạ từ

hệ thống mẫu liên quan đến liên kết Ab/Ag Các cảm biến miễn dịch quang có độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh [21]

c) Cảm biến miễn dịch áp điện

Các thiết bị áp điện chuyển đổi một sự thay đổi vật lý hoặc cơ học thành năng lượng điện và ngược lại Chất miễn dịch áp điện hoạt động dựa trên nguyên tắc nhạy khổi lượng của vật liệu áp điện như vi cân tinh thể thạch anh (QCM) Sự tương tác giữa đầu thu sinh học và tác nhân sinh học trên bề mặt của điện cực sẽ làm gia tăng khối lượng trên đó dẫn đến làm thay đổi tần số dao động của vật liệu áp điện [21] Ưu điểm của cảm biến này là có độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh, có thể phát hiện trực tiếp mà không cần thành phần đánh dấu sinh học

d) Cảm biến miễn dịch huỳnh quang

Huỳnh quang là một hiện tượng mà các phân tử nhất định phát ra năng lượng ánh sáng có bước sóng nhất định Cảm biến miễn dịch dựa trên huỳnh quang sử dụng các phân tử huỳnh quang liên kết trực tiếp với phân tử đích hoặc chất đánh dấu sinh học gián tiếp để đo thông qua phép đo phổ, cường độ huỳnh quang và nồng độ của chất phân tích [21] Những tiến bộ gần đây về cảm biến miễn dịch huỳnh quang sử dụng ống mao dẫn thủy tinh tráng poly (dimethylsiloxane) để cải thiện khả năng sinh sản, độ nhạy và thời gian đo lường nhanh để phát hiện IgG của thỏ

e) Cảm biến miễn dịch từ

Gần đây, các cảm biến điện hóa đã được kết hợp thành công với các hạt từ tính miễn dịch (IMBs) trong một thiết bị gọi là cảm biến từ miễn dịch điện hóa Kết hợp các hạt từ tính vào miễn dịch cho phép mức độ kiểm soát cao hơn Nam châm điện có thể kéo các hạt miễn dịch được thay thế về phía một vị trí gắn kết, và sau đó các loài liên kết

Trang 26

yếu có thể bị loại bỏ bằng một nam châm điện nằm ở vị trí đối diện

1.1.2.5 Cảm biến vi sinh vật

Cảm biến vi sinh vật là một thiết bị phân tích giúp cố định vi sinh vật vào đầu dò

để phát hiện các chất phân tích đích Các vi sinh vật như vi khuẩn và nấm có thể được

sử dụng làm cảm biến sinh học để phát hiện các phân tử cụ thể hoặc một “trạng thái” tổng thể của môi trường So với cảm biến sinh học dựa trên enzyme, cảm biến vi sinh vật không đòi hỏi độ tinh khiết Các cảm biến sinh học này cung cấp một phương pháp chuẩn đoán nhanh chóng, chính xác và rẻ tiền các hooc-môn, mầm bệnh và ADN - là những thông số quan trọng của một cá thể sống

Cảm biến vi sinh vật thường được ứng dụng để xác định chỉ số BOD Chỉ số BOD

là chỉ số đánh giá mức độ ô nhiễm của nước do các hợp chất hữu cơ gây nên Các chất hữu cơ này có thể bị phân hủy bởi vi sinh vật nhờ sử dụng ôxy Vì vậy mức độ ô nhiễm

có thể xác định thông qua việc xác định lượng ôxy do vi sinh vật tiêu thụ cố định trên cảm biến

1.2 Tổng quan về vật liệu ZnO

ZnO là chất bán dẫn thuộc loại các hợp chất AIIBVI, trong đó hợp chất thuộc nhóm này thường kết tinh ở hai dạng thù hình chính: dạng lập phương giả kẽm và dạng lục giác Wurtzite (Hình 1.9)

Hình 1.9. Cấu trúc lục giác kiểu wurtzite của ZnO [38]

Trang 27

Do đó tính chất vật liệu này đặc trưng tính chất của các nguyên tố nhóm II b và

VI Các tính chất vật lý của vật liệu ZnO dạng khối được tóm tắt trong bảng 1.1

Một trong những đặc tính quan trọng của vật liệu nano ZnO là độc tính thấp và khả năng tương thích sinh học với IEP (điểm đẳng điện: là điểm mà tại đó protein trung hòa điện tích) cao (pH 9 - 9.5) phù hợp để hấp phụ các protein có IEP thấp do việc cố định protein được quyết định bởi tương tác tĩnh điện [33, 65]

Bảng 1.1 Các đặc tính vật lý của ZnO khối [56].

Khối lượng riêng 5,67526 g/cm3

Các hằng số mạng ở nhiệt độ phòng a = 3,250 Å; c = 5,205 Å

Khối lượng hiệu dụng điện tử 0,24

Khối lượng hiệu dụng lỗ trống 0.59

Năng lượng vùng cấm ở nhiệt độ phòng 3,37 eV

Năng lượng liên kết exciton 60 meV

1.3 Cảm biến miễn dịch điện hóa trên cơ sở vật liệu cấu trúc nano ZnO

Trong những năm gần đây, ZnO cấu trúc nano (thanh nano, dây nano, hạt nano)

đã thu hút sự quan tâm lớn so với màng khối ZnO cho các ứng dụng tạo cảm biến sinh

Trang 28

học [20–23] Vật liệu cấu trúc nano cho thấy sự hứa hẹn tuyệt vời nhờ những đặc tính độc đáo như phản ứng nhanh và độ nhạy cao hơn cấu hình cảm biến phẳng Do kích thước nhỏ của chúng làm tăng diện tích bề mặt cảm biến, tăng tính chất liên kết, vật liệu cấu trúc nano ZnO có thể phát hiện được các đơn phân tử

Mỗi loại cảm biến sinh học đều có những ưu, nhược điểm riêng phụ thuộc vào đối tượng cần dò tìm Tuy nhiên, trong thời gian gần đây các nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới rất quan tâm đến việc chế tạo ra các loại cảm biến miễn dịch khác nhau để phát hiện vi khuẩn gây bệnh Do loại cảm biến này có những ưu điểm vượt trội như dễ chế tạo, độ nhạy, độ đặc hiệu cao, đặc biệt có khả năng phát hiện trực tiếp vi khuẩn hoặc kháng thể trong mẫu bệnh phẩm mà không cần xử lý trước [28]

Hình 1.10 Ảnh FESEM của thanh nano ZnO được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt do

James Jungho Pak và cộng sự chế tạo [33]

Năm 2014, nhóm tác giả James Jungho Pak đã phát triển cảm biến miễn dịch điện hóa trên cơ sở thanh nano ZnO nhằm phát hiện Legionella pneumophila (vi khuẩn gây bệnh Legionnaires và bệnh sốt Pontiac), và giới hạn phát hiện khoảng 1 pg/mL với độ chọn lọc cao

Ashutosh Sharma và cộng sự đã chế tạo thành công cảm biến trên cơ sở sợi nano ZnO để phát hiện chất đánh dấu sinh học trong ung thư vú có thể phát hiện ở nồng độ

1 fM (4.34 × 10-5 ng/mL) bằng kỹ thuật phổ tổng trở

Trang 29

Hình 1.11 Ảnh SEM của sợi nano ZnO được chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện với

các điều kiện khác nhau do Ashutosh Sharma và cộng sự đã chế tạo [1]

Hình 1.12 Ảnh SEM của hoa nanno ZnO (A) và cấu trúc Au-hoa nano ZnO (B) được

Chunyan Li và cộng sự chế tạo [13]

Gần đây, Chunyan Li và cộng sự đã chế tạo cảm biến miễn dịch quang hóa trên

cơ sở cấu trúc dị thể Au- hoa nano ZnO để phát hiện α-fetoprotein (một loại protein trong

chẩn đoán ung thư gan) với giới hạn phát hiện khoảng 0.56 pg/mL

Hiện nay, các nghiên cảm biến miễn dịch điện hóa trên cơ sở vật liệu ZnO cấu trúc nano để phát hiện một số vi khuẩn gây bệnh ngày càng tăng tuy nhiên vẫn còn ít Theo thống kê từ trang thông tin ISI Web of Science có khoảng 343 bài báo liên quan đến cảm biến miễn dịch điện hóa và cảm biến miễn dịch điện hóa trên cơ sở vật liệu ZnO cấu trúc nano (https://www.sciencedirect.com/) Một số công trình tiêu biểu trong những

Trang 30

năm gần đây về cảm biến miễn dịch điện hóa trên cơ sở vật liệu ZnO cấu trúc nano được chúng tôi tổng hợp trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Một số công trình tiêu biểu trong những năm gần đây về cảm biến miễn dịch điện

hóa trên cơ sở vật liệu ZnO cấu trúc nano

Vật liệu

Phương pháp chế tạo

Phương pháp đo Đối tượng

Giới hạn phát hiện

pg/mL 2019 [9]

ZnO-T/

SPAuE

Flame transport

CV và EIS

Helicobacer pylori

-0.2 ng/mL 2018 [7]

Lai hóa ZnO

NRs-Au NPs Thủy nhiệt CV

Kháng nguyên ung thư buồng trứng CA125/

MUC126

2.5 ng/μL 2017 [11]

ZnO NRs Thủy nhiệt

Volt-ample

Vi rút H1N1, H5N1, H7N9

1pg/m

L 2015 [32] 1D ZnO NRs

2D ZnO Hóa âm

CV và EIS Cortisol 1 pM 2014 [57] ZnO NRs Thủy nhiệt ELISA Legionella

pneumophila

1 pg/mL 2014 [33] ZnO NRs Thủy nhiệt ELISA

Vi rút H1N1 Swine Influenza

1 pg/mL 2012 [20]

Có thể thấy rằng ZnO với các hình thái nano khác nhau được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau trong ứng dụng cảm biến miễn dịch kiểu điện hóa nhằm phát hiện các vi khuẩn, vi rút Tuy nhiên phương pháp thủy nhiệt được sử dụng nhiều nhất vì

nó có rất nhiều ưu điểm như dễ thực hiện, tiết kiệm thời gian, tiết kiệm năng lượng, giá thành thấp, thân thiện với môi trường, sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao, và nhiệt

độ chế tạo thấp hơn so với các phương pháp khác [58] Với những ưu điểm của phương

Trang 31

pháp thủy nhiệt, chúng tôi chọn phương pháp này để nghiên cứu chế tạo vật liệu có cấu trúc nano ZnO Chúng tôi thay đổi thời gian, nồng độ, nhiệt độ để đạt được vật liệu có hình thái, cấu trúc khác nhau

Ngày nay, dò tìm chất phân tích bằng điện hóa không sử dụng chất đánh dấu được phát triển một cách nhanh chóng và rất có ích khi chất phân tích không trong suốt hoặc

có màu như dò tìm trong cơ thể bệnh nhân Trong đề tài này, tác giả cũng lựa chọn sử dụng cảm biến miễn dịch điện hóa để phát hiện một số vi khuẩn gây bệnh cụ thể là phát

hiện vi khuẩn Salmonella vì những ưu điểm đã nêu trên và vì chúng tôi cũng chưa tìm

thấy được bài báo khoa học nào liên quan đến cảm biến miễn dịch điện hóa trên cơ sở vật liệu nano ZnO Đặc điểm chung của vi khuẩn được trình bày bên dưới

1.4 Vi khuẩn salmonella

Salmonella là trực khuẩn Gram âm, kích thước trung bình từ 2 - 3 x 0,5 - 1 µm,

di chuyển bằng tiên mao trừ S gallimarum và S pullorum, không tạo bào tử, chúng phát

triển tốt ở nhiệt độ 6 oC – 42 oC, thích hợp nhất ở 35 oC – 37 oC, pH từ 6 - 9 và thích hợp nhất ở pH = 7,2 Ở nhiệt độ từ 18 oC – 40 oC vi khuẩn có thể sống đến 15 ngày [30]

Hình 1.13 là hình ảnh vi khuẩn Salmonella quan sát được

Hình 1.13 Vi khuẩn Salmonella [29]

Salmonella là vi khuẩn kỵ khí tùy nghi phát triển được trên các môi trường nuôi

Trang 32

cấy thông thường Trên môi trường thích hợp, vi khuẩn sẽ phát triển sau 24 giờ

Salmonella không lên men lactose, lên men đường glucose và sinh hơi Thường không

lên men sucrose, salicin và inositol, sử dụng được citrate ở môn trường Simmons Tuy

nhiên không phải loài Salmonella nào cũng có những tính chất trên, các ngoại lệ được xác định là S.typhi lên men đường glucose không sinh hơi, không sử dụng citrate trong

môi trường Simmon [29]

Salmonella có ba loại kháng nguyên, đó là những chất khi xuất hiện trong cơ thể

thì tạo ra kích thích đáp ứng miễn dịch và kết hợp đặc hiệu với những sản phẩm của sự kích thích đó, gồm: kháng nguyên thân O, kháng nguyên lông H và kháng nguyên vỏ K

Vi khuẩn thương hàn (S.typhi) có kháng nguyên V (Virulence) là yếu tố chống thực bào

giúp cho vi khuẩn thương hàn phát triển bên trong tế bào bạch cầu [30]

Các hội chứng lâm sàng chính liên quan đến nhiễm khuẩn Salmonella là thương

hàn và viêm dạ dày ruột Thương hàn là một bệnh do nhiễm các vi khuẩn riêng ở người,

S typhi và S Paratyphi Tất cả các bệnh nhiễm trùng Salmonella bắt đầu bằng việc ăn

phải các sinh vật trong thực phẩm hoặc nước bị ô nhiễm Các điều kiện làm tăng pH dạ

dày làm giảm mức độ lây nhiễm Salmonella, điều này cho thấy độ axit của dạ dày thể

hiện một rào cản đáng kể ban đầu đối với nhiễm trùng [30] Ở Việt Nam, nghiên cứu

cho thấy Salmonella, một vi khuẩn gây bệnh có mặt hầu hết trong thực phẩm có nguồn

gốc từ động vật bao gồm gia cầm, trứng, cá, nhím, hải sản và các sản phẩm thức ăn của chúng [8]

1.5 Các phương pháp phân tích điện hóa

1.5.1 Phương pháp quét thế vòng (CV)

Nguyên lý cơ bản của phương pháp quét thế vòng là đặt một điện thế biến đổi tuần hoàn lên điện cực làm việc và dòng ghi nhận là hàm của điện thế và tuân theo định luật Nernst Khi quét CV cho bề mặt điện cực nghiên cứu, đồ thị phụ thuộc của điện thế

và dòng điện có dạng như hình 1.14

Xét chiều quét điện thế ban đầu theo chiều dương từ điện thế âm hơn so với điện

Trang 33

thế cực chuẩn E0 tương ứng với quá trình ôxy hóa:

R → O + ne− (1.1) Khi thế nhỏ hơn E0 thì dòng ban đầu là dòng non-Faraday tương ứng với dòng nạp tụ Khi điện thế tăng đạt tới E0 thì sự ôxy hóa bắt đầu, dòng điện lúc này là dòng Faraday [51] Khi điện thế càng dịch về phía dương, nồng độ chất khử trên bề mặt điện cực giảm dẫn đến sự khuếch tán chất khử đến bề mặt điện cực và dòng anôt tăng Dòng điện đạt cực đại Ipa tại điện thế Epa là lúc số lượng phản ứng xảy ra nhiều nhất Dòng điện tiếp tục giảm do nồng độ chất khử ngay sát bề mặt bị triệt tiêu Sau đó chất ôxy hóa được tạo thành và quá trình quét thế đảo ngược lại

Hình 1.14 Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong thế quét vòng [22].

Khi quét thế ngược lại về phía âm, quá trình khử xảy ra theo phương trình sau:

O + ne− → R (1.2) Chất ôxy hóa (O) bị khử thành chất khử (R) khi điện thế đi qua điểm E0 Khi điện thế càng dịch về phía âm, nồng độ chất ôxy hóa trên bề mặt điện cực giảm dần và dòng catốt tăng Khi số lượng phản ứng xảy ra nhiều nhất thì dòng điện đạt cực đại Ipc tại điện thế Epc Đường phân cực vòng biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện I (μA) và điện thế

Trang 34

E (V) được biểu diễn trên hình 1.10, trong đó: Ipa và Ipc lần lượt là dòng điện cực đại anôt

và catôt; Ep, Epc lần lượt là điện thế cực đại anôt và catôt [51]

1.5.2 Phổ tổng trở điện hóa (EIS)

Phổ tổng trở điện hóa (EIS) là một công cụ hiệu quả cho phép nghiên cứu các hiện tượng hóa lý xảy ra trên bề mặt phân chia rắn- lỏng EIS được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu như pin điện hóa, pin nhiên liệu, lớp phũ hữu cơ, vật liệu gốm, bán dẫn và cảm biến sinh học Ưu điểm của phương pháp này trong cảm biến sinh học điện hóa là điện áp đặt lên điện cực rất nhỏ nên không làm ảnh hưởng đến hoạt tính của các thành phần sinh học

1.5.2.1 Lý thuyết phổ tổng trở

Khi ta cho một dao động biên độ nhỏ xoay chiều hình sin U0, tần số góc ω=2πf đi qua một hệ điều hòa (Hình 1.15), trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện đáp ứng hình sin có biên độ I0 cùng tần số góc ω nhưng lệch pha một góc ϕ so với điện thế đưa vào

Hình 1.15 Sơ đồ khối mô phỏng nguyên lý đo tổng trở

i̅ = Iosin(ωt + φ) (1.4) Theo định luật Ohm có thể định nghĩa tổng trở Z như sau:

Trang 35

Zi = Zim = |Z|sinφ

Zr = Zre = |Z|cosφ (1.7) Hay |Z|2 = (Zr)2+(Zi)2

Ta có thể biểu diễn hình học của Z () trên mặt phẳng phức như sau :

Hình 1.16 Biểu diễn hình học các phần tử phức

Khảo sát đặc tính tần số Z = f () cho phép xác định các đại lượngZ , Zr, Zi và góc lệch pha  = arctg (Zi/Zr)

1.5.2.2 Mô hình mạch tương đương Randles

Khi hệ điện hóa tiếp xúc với dung dịch điện ly chứa cặp chất ôxy hóa - khử, tại phân biên giữa điện cực và dung dịch điện ly xảy ra phản ứng:

R → O + ne− (1.8) Trong đó: n là số điện tử, O là chất ôxy hóa, R là chất khử Tính chất điện của hệ điện hóa được mô tả bằng một mạch điện tương đương và đối với hệ điện hóa trong dung dịch điện ly người ta hay sử dụng mô hình mạch tương đương Randles (Hình 1.17) Mạch điện tương đương gồm hai thành phần mắc song song, trong đó dòng điện tổng mạch gồm hai thành phần rẽ nhánh là dòng Faraday if và dòng không Faraday ic Dòng điện trong hệ điện hóa được biểu diễn theo công thức:

i = if +ic (1.9) Dòng điện Faraday (if) là dòng các điện tử sinh ra trong phản ứng ôxy hóa - khử

Trang 36

truyền xuống điện cực Trở kháng Faraday Zf được biểu diễn bởi mạch tương đương gồm điện trở truyền điện tích Rct mắc nối tiếp với trở kháng Warburg Zw Trở kháng không Faraday được biểu diễn bởi điện dung lớp kép Cdl [51]

Hình 1.17 (a) Quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực làm việc được tích điện dương

khi tiếp xúc với dung dịch diện ly chứa cặp chất dò; (b) Mạch điện tương đương Randles [51]

1.5.2.3 Các thành phần trong mạch tương đương Randles

Trở kháng bao gồm điện trở chuyển điện tử giữa hợp chất ôxy hóa khử và bề mặt điện cực, điện dung giữa điện cực và các ion tích điện trong dung dịch, điện trở dung dịch giữa các điện cực và trở kháng do tốc độ khuếch tán của hợp chất ôxy hóa khử đến điện cực Các yếu tố này được sắp xếp trong mạch hiển thị trong hình 1.18

Với:

R s : là điện trở dung dịch với bề mặt điện cực (phụ thuộc vào nồng độ ion trong

dung dịch, loại ion, nhiệt độ và hình thái học bề mặt điện cực)

Trang 37

C d : dung dịch lớp kép hình thành do các ion trong dung dịch diện ly tích tụ trên

bề mặt điện cực làm việc

R ct : điện trở truyền điện tích, khả năng của hợp chất ôxy hóa khử tương tác với

bề mặt điện cực thông qua vận chuyển điện tử

Z W : trở kháng Warburg đặc trưng cho quá trình khuếch tán của ion đến bề mặt

điện cực, còn gọi là điện trở của quá trình vận chuyển khối Trở kháng Warburg tự nó

có cả thành phần thực và ảo và phụ thuộc vào tần số

Hình 1.18 Mô hình mạch tương đương Randles cho trở kháng phức của

hệ thống điện cực ba chân trong dung dịch ion

Người ta có thể tính tổng trở kháng của mạch này đối với các giá trị của các thành phần và tần số như trong phương trình sau đây:

Trang 38

nhanh, phổ trở kháng chỉ có thể bao gồm phần tuyến tính, trong khi đó quá trình chuyển điện tử rất chậm dẫn đến một vùng bán nguyệt lớn không đi kèm với một đường thẳng

Hình 1.19 Sơ đồ trở kháng Faradaic được trình bày dưới dạng một đồ thị Nyquist [22]

Động học chuyển điện tử và đặc tính khuếch tán có thể được rút ra từ quang phổ Đường kính hình bán nguyệt bằng với điện trở chuyển điện tử, Rct Giao điểm của bán nguyệt với trục Z’ ở tần số cao (ω → ∞) là điện trở dung dịch, Rs

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	3,14 MB